罗杰燊
佛山市南海科日超声电子有限公司
摘要：目的：基于超声雾化原理设计一种加湿装置，用来取代现有的加湿方式。方法：该设计利用多个超声雾化振子形成行列矩阵，通过温湿度传感器定期检测当前空气湿度值并传递给微控制单元（microcontrollerunit，MCU），MCU采用模糊控制的智能调控方式，通过计算与分析决定每个振子的工作状态，从而决定总的雾化量，实现空气湿度的精确控制。整个装置主要由主机和雾化槽2个部分组成。结果：仿真实验结果表明，该加湿器能控制雾化振子的起振数目，并能很好地拟合控制曲线，满足控制空气湿度的要求。结论：该加湿器结构简单、加湿效果显著，具有低能耗、控制精准、提升空气质量等优点，可作为暖通空调的加湿部件，用于医院手术室、实验室等对空气有加湿要求的场所。
关键词：超声雾化；加湿器；微控制单元；雾化振子；温湿度传感器
引言
随着社会的发展，人们对于舒适生活的要求越来越高，对智能家居的期待越来越迫切。夏季的空调给人们带来凉爽的同时，干燥问题也随之而来，到了冬季，北方的人们会由于环境中湿度不足感到身体不适，研究表明：50%~60%的环境空气相对湿度对人体的健康最有利，人们的抗病能力也最强，人们也会感到舒适，因此，加湿器应运而生。但是传统的加湿器大多采用手动开启模式，结构简单，功能单一，只能手动调节雾量的大小，无法实时精确了解温湿度状况，导致很难达到理想的舒适度感受，一款能自动控制超声波加湿器的工作状态、可以实现智能调控和人性化的定量设置的智能移动加湿器成为人们的真正需求。本文设计的加湿器以简易机器人为平台，摆脱了传统固定式加湿器的束缚，运用嵌入式单片机原理，实现了加湿器的智能化工作，可以使室内湿度保持均匀，符合现代人的生活方式。
1设计
1.1工作原理
通电后，MCU首先通过水位检测电路检测当前水位，当水位低于最低水位要求时（亮红灯），所有超声雾化振子均不工作并且驱动电磁阀导通，将处理后的水加入雾化槽内直至水位达到最高水位线。当雾化槽内的水位高于最低水位线时，单片机执行扫描振子的程序控制扫描电路，判断是否存在故障振子并记录位置，温湿度传感器定时检测机组内空气的湿度X（亮绿灯）。通过按键设定所需湿度值Y并按下开始键，单片机根据湿度值Y与X的差异，采用模糊控制算法，自动控制产生雾化的振子数目，通过逐次逼近的方法使得X近似等于Y并能维持较少的起振数目以抵消正常湿度损耗，且总雾化量取决于产生雾化振子的数目。通过液晶显示电路不仅可以实时显示实际空气湿度X和设定的湿度Y，还可以显示雾化槽内故障振子的位置，便于后期维护与更换，实现智能化控制。
1.2温、湿度探测模块
该装置采用了DHT11温、湿度探测模块对室内空气的温度和湿度进行检测。需要注意的是，传感器上电之后，越过不稳定状态需要1s时间，DHT11传感器可直接与单片机的I/O端口连接，温、湿度模块工作电路如图1所示，以此对室内温、湿度进行实时测量。
1.3成型外观滑块设计
滑块在塑件宽度最大外形处分型，滑块顶面和底面沿塑件形状均匀布置排气槽，排气槽深度为0.03mm，间距为30mm，并连接引气槽，通过排气孔将空气引到模板外。需注意2个滑块分型面碰合位置不能开设排气槽，否则容易在塑件外观上造成明显的夹线，甚至会刮手，应在其中一侧滑块的侧壁分型线，距离成型胶位5mm的位置，加工0.01mm避空位，再设置引气槽，起到排气和保护分型面的作用。
1.4主控电路
MCUSTC89C52RC采用+5V供电，XTAL1和XTAL2端口连接12.00MHz的晶振作为MCU的时钟。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆由于STC89C52RC的I/O端口数目有限，本设计中采用可编程外设接口Intel8255作为MCU通用I/O端口扩展芯片，用于控制超声雾化振子的驱动起振电路。P1.7引脚用于控制电磁阀的状态，其他端口分别连接LCD、温湿度传感器DHT11、按键、水位开关等.
1.5软件设计
为方便后期调试，分别编写按键、液晶显示、温湿度传感器和雾化振子驱动等程序，并对其一一进行验证。为提高系统运行稳定性，软件设计时采用了RTX51实时多任务操作系统，将程序运行时间划分成多个时间片，按照一定的顺序为不同的任务分配不同的时间片以实现多任务并行工作。系统整体被分成如下所示的几个任务：（1）任务0：用于复位单片机、初始化设置通用I/O端口扩展芯片8255，同时启动所有其他任务，然后停止本任务。（2）任务1：执行温湿度和水位检测，并点亮相应的指示灯。（3）任务2：执行振子扫描程序，并点亮相应的指示灯。（4）任务3：驱动液晶显示屏LCD1602，显示设定湿度值（默认值）、当前湿度值和故障振子位置编号。（5）任务4：根据模糊控制算法控制振子起振。（6）任务5：检测按键，根据按键调整设定的湿度，并向任务2发送信号以更新湿度设定值。（7）任务6：查询开始按键是否被按下，如果按下则向任务1发送信号，开始产生雾化。
1.6推出系统设计
推出系统设计是该模具的另一关键点，塑件高度较高，且壁薄，中间无结构支撑，如果推出设计不合理，推出时容易使塑件变形。塑件外观面是垂直面，无脱模斜度，内侧壁也只有0.5°脱模斜度，推出时容易拉伤，损坏外观面，因此动模镶件需要设计先抽芯结构，如图3所示，开模前，动模镶件先脱模，塑件可以向中间收缩变形，当塑件和模具型芯脱开后，滑块在开模运动时，塑件不会被拉伤。动模镶件脱离塑件的间隙需要根据注射材料的收缩率计算：以此塑件为例，塑件宽度为180mm，型芯的实际尺寸为180mm×1.005=180.9mm，塑件冷却后，单边收缩0.45mm，所以动模镶件脱离塑件的内侧壁至少为0.5mm。
2测试与验证
Proteus软件是一款比较好的仿真单片机及外围器件的工具，其内部建立了完备的电子设计开发环境。本文运用该软件对整体设计进行逻辑分析与判断，并验证其可行性。在仿真电路中，采用16个LED的亮灭来模拟4×4的雾化振子启停状态，用光敏电阻模拟光电传感器，调节按键设置需求湿度Y=60并将需求湿度Y和初始湿度X=30在LCD上显示。按下开始键，振子扫描电路开始工作，把设置为故障振子的编号和正常振子的数目均显示在LCD上，之后所有正常振子开始工作，通过手动调节DHT11外设的湿度值以模拟雾化效果。结果显示，不论如何改变DHT11湿度值，MCU均能很好地控制处于工作状态的振子数目，拟合特定的湿度控制曲线，以维持湿度稳定.
结语
本文设计的多源智能超声雾化加湿器可作为暖通空调采用的一种新型加湿技术，可用于医疗卫生、工业、建筑业等各个领域，且显著降低了能耗，具有一定的实用价值和社会价值。此次软件仿真实验结果验证了本文设计的逻辑性及各个电路的可实现性。后续工作重点包括优化模糊控制算法、选择精度更高的湿度传感器和扩展雾化振子矩阵的大校完成上述工作后可以购买元器件对本文设计增加振子扫描电路并进行硬件调试实验，从而进一步完善设计.
参考文献
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论文作者:罗杰燊
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第21期
论文发表时间:2019/11/26
标签：湿度论文; 加湿器论文; 水位论文; 超声论文; 塑件论文; 电路论文; 工作论文; 《中国西部科技》2019年第21期论文;